本發(fā)明屬于電子領(lǐng)域及航空監(jiān)管領(lǐng)域，涉及一種基于智能天線的ADS-B遠(yuǎn)距離抗干擾抗欺騙接收方法及裝置。

背景技術(shù)：

ADS-B技術(shù)即為廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，ADS-B系統(tǒng)提供一種無(wú)需人工操作或者詢問(wèn)，可以自動(dòng)地從相關(guān)機(jī)載設(shè)備獲取參數(shù)，并向其他飛機(jī)或地面站廣播飛機(jī)的位置、高度、速度、航向、識(shí)別號(hào)等信息，以供管制員對(duì)飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

ADS-B系統(tǒng)的工作流程為：1)飛行器從GNSS等導(dǎo)航系統(tǒng)獲得飛行器的位置和速度等信息，從關(guān)聯(lián)機(jī)載設(shè)備獲取所需其他參數(shù)信息。2)飛行器通過(guò)數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈，向地面的ADS-B接收機(jī)和其它飛行器廣播精確的位置和速度，以及飛機(jī)識(shí)別信息、航班號(hào)、空地狀態(tài)等數(shù)據(jù)。3)ADS-B信號(hào)接收方，如綜合在地面ADS-B接收機(jī)或者其他飛機(jī)上的ADS-B接收機(jī)，接收并解碼數(shù)據(jù)，向使用者提供實(shí)時(shí)的空中交通狀態(tài)。

現(xiàn)有的ADS-B接收機(jī)采用的是全向單天線接收機(jī)，射頻信號(hào)經(jīng)天線接收后，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器，濾波，混頻等步驟后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣得到數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)解調(diào)后變?yōu)槊堪?12bit的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包再經(jīng)過(guò)解碼后轉(zhuǎn)變?yōu)轱w行器位置、速度、航向等狀態(tài)信息。

然而，現(xiàn)有的ADS-B接收機(jī)存在以下技術(shù)問(wèn)題：

1、覆蓋距離短：為盡可能接收空間中的信號(hào)，天線大多設(shè)計(jì)為全向天線，導(dǎo)致接天線增益差，靈敏度低，鏈路覆蓋距離短

2、消息碰撞：由于ADS-B消息的發(fā)射是各飛行器獨(dú)立隨機(jī)發(fā)送，隨著飛行器密度增加，必然有越來(lái)越高的概率在地面站同時(shí)到達(dá)，即消息碰撞，造成解調(diào)解碼失敗，降低系統(tǒng)容量。

3、無(wú)抗干擾能力：傳統(tǒng)ADSB接收機(jī)由于采用全向天線，當(dāng)接收方向范圍內(nèi)存在強(qiáng)干擾時(shí)，只能被動(dòng)接收干擾，無(wú)法有效抑制干擾，因此系統(tǒng)極易被干擾所中斷，造成安全隱患

4、無(wú)防欺騙干擾能力：ADSB系統(tǒng)本身沒(méi)有任何鑒權(quán)加密等機(jī)制，而隨著航空監(jiān)控系統(tǒng)的逐步開(kāi)放，必然面臨諸如假信號(hào)欺騙等情況，非法用戶可以輕易模擬出多個(gè)假飛行器消息，擾亂正常監(jiān)管。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，而提供一種提高ADS-B接收機(jī)的覆蓋范圍，解決ADS-B消息碰撞時(shí)的信號(hào)解調(diào)解碼問(wèn)題的基于智能天線的ADS-B遠(yuǎn)距離抗干擾抗欺騙接收方法及裝置。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：本發(fā)明為一種基于智能天線的ADS-B遠(yuǎn)距離抗干擾抗欺騙接收方法，其特殊之處在于：該方法包括以下步驟：

1)由飛行器發(fā)射的射頻ADS-B信號(hào)經(jīng)過(guò)空間傳播到達(dá)接收天線陣列，天線陣列由多個(gè)天線單元構(gòu)成；

2)信號(hào)經(jīng)天線陣列收集后，輸入至接收通道，該接收通道包含多個(gè)接收支路，每個(gè)接收支路將信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，混頻后，采樣得到多路復(fù)數(shù)字信號(hào)；

3)根據(jù)多路復(fù)數(shù)字信號(hào)計(jì)算得到ADS-B信號(hào)的來(lái)波方向，并產(chǎn)生多組加權(quán)系數(shù)，使得每組加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)來(lái)波方向，并根據(jù)計(jì)算出的信號(hào)來(lái)波方向抑制其他方向的干擾或信號(hào)；

4)對(duì)每路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)合并，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的合路信號(hào)，每路信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后產(chǎn)生有效的ADS-B數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包按照ADS-B標(biāo)準(zhǔn)所定義的格式解碼得到飛行器狀態(tài)信息。

上述步驟4)之后還包括步驟5)從飛行器狀態(tài)信息中得到飛行器位置信息，并根據(jù)飛行器位置信息，推算出該信號(hào)的來(lái)波方向。

6)隨后，將推算出的來(lái)波方向與步驟3)計(jì)算出的來(lái)波方向比較，若兩者差別大于人為輸入的閾值門限)，則判斷該信號(hào)為欺騙信號(hào)。上述天線單元為3—128個(gè)，構(gòu)成平面或立體型天線陣列。

上述步驟3)中根據(jù)多路復(fù)數(shù)字信號(hào)計(jì)算得到ADS-B信號(hào)的來(lái)波方向的計(jì)算方法為多重信號(hào)分類法或Capon最小均方誤差法，其中來(lái)波方向包含俯仰角和方位角信息，產(chǎn)生多組加權(quán)系數(shù)的方法為線性約束最小方差方法LCMV或最小方差無(wú)失真響應(yīng)MVDR。

上述步驟4)中的解調(diào)是通過(guò)并行方式對(duì)每個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)解碼，或者通過(guò)采用串行方式對(duì)各方向合路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并依次將其串行進(jìn)行解調(diào)解碼。

根據(jù)上述的基于智能天線的ADS-B遠(yuǎn)距離抗干擾抗欺騙接收方法的接收裝置，其特殊之處在于：該裝置包括依次連接的天線陣列，多通道接收裝置，陣列信號(hào)處理裝置和解碼解調(diào)裝置，天線陣列由多個(gè)天線單元構(gòu)成。

該裝置還包括抗欺騙防偽裝置，抗欺騙防偽裝置與解碼解調(diào)裝置連接。

上述天線單元為3—128個(gè)，構(gòu)成平面或立體型天線陣列，所述平面或立體型天線陣列為矩形陣列，圓形陣列，或由兩個(gè)非平行線陣構(gòu)成，所述天線單元采用低方向性天線單元。

上述多通道接收裝置包括多路接收通道，一個(gè)或多個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)接一路接收通道，若多個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)一路接收通道時(shí)，多個(gè)天線單元接收信號(hào)在射頻頻率進(jìn)行模擬電路幅度和/或相位調(diào)整后合并為一路，每路接收通道均包括依次連接的放大器、濾波器、混頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。

上述陣列信號(hào)處理裝置包括權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊和加權(quán)合并模塊，所述權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊與加權(quán)合并模塊連接。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、提高ADS-B接收機(jī)的覆蓋范圍：本發(fā)明由多個(gè)天線單元構(gòu)成天線陣列，利用天線陣列對(duì)多路信號(hào)加權(quán)合成提高接收機(jī)靈敏度，在發(fā)射功率不變情況下，成倍提高覆蓋范圍。

2、可檢測(cè)碰撞消息：根據(jù)加權(quán)系數(shù)，即使信號(hào)在時(shí)間上同時(shí)到達(dá)接收機(jī)(消息碰撞)，只要信號(hào)來(lái)自不同的方向，仍然可以通過(guò)不同的加權(quán)系數(shù)在空間上將其區(qū)分開(kāi)，由此本發(fā)明具備檢測(cè)碰撞消息的能力。

3、抑制干擾：本發(fā)明通過(guò)調(diào)整加權(quán)系數(shù)，對(duì)期望方向信號(hào)產(chǎn)生波束，對(duì)其他方向來(lái)波產(chǎn)生抑制，包括抑制其他來(lái)波方向的ADS-B信號(hào)以及抑制其他來(lái)波方向的干擾。

4、提供欺騙信號(hào)識(shí)別能力：本發(fā)明利用天線陣列對(duì)多路信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出來(lái)波方向；通過(guò)解調(diào)解碼出的位置信息，結(jié)合接收機(jī)位置，推算來(lái)波方向。通過(guò)比較由天線陣列計(jì)算出的來(lái)波方向和由ADS-B信息推算出的來(lái)波方向，判定該信號(hào)是否是欺騙信號(hào)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

1)由飛行器發(fā)射的射頻ADS-B信號(hào)經(jīng)過(guò)空間傳播到達(dá)接收天線陣列，天線陣列由多個(gè)天線單元構(gòu)成；

2)信號(hào)經(jīng)天線陣列收集后，輸入至接收通道，該接收通道包含多個(gè)接收支路，每個(gè)接收支路將信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，混頻后，采樣得到多路復(fù)數(shù)字信號(hào)；

3)根據(jù)多路復(fù)數(shù)字信號(hào)計(jì)算得到ADS-B信號(hào)的來(lái)波方向，并產(chǎn)生多組加權(quán)系數(shù)，使得每組加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)來(lái)波方向，并根據(jù)計(jì)算出的信號(hào)來(lái)波方向抑制其他方向的干擾或信號(hào)；

4)對(duì)每路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)合并，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的合路信號(hào)，每路信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后產(chǎn)生有效的ADS-B數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包按照ADS-B標(biāo)準(zhǔn)所定義的格式解碼得到飛行器狀態(tài)信息。

5)從飛行器狀態(tài)信息中得到飛行器位置信息，并根據(jù)飛行器位置信息，推算出該信號(hào)的來(lái)波方向，該推算方法為公知技術(shù)，即已知接收機(jī)位置坐標(biāo)，已知飛行器位置坐標(biāo)，通過(guò)立體幾何方法，求出飛行器位置相對(duì)于接收機(jī)位置的俯仰角和方位角(即來(lái)波方向)。

6)隨后，將推算出的來(lái)波方向與步驟3)計(jì)算出的來(lái)波方向比較，若兩者差別大于人為輸入的閾值門限時(shí)，…，例如門限可取值為3度，則判斷該信號(hào)為欺騙信號(hào)。

其中天線單元為3—128個(gè)，構(gòu)成平面或立體型天線陣列。

步驟3)中根據(jù)多路復(fù)數(shù)字信號(hào)計(jì)算得到ADS-B信號(hào)的來(lái)波方向的計(jì)算方法為多重信號(hào)分類法或Capon最小均方誤差法，其中來(lái)波方向包含俯仰角和方位角信息，產(chǎn)生多組加權(quán)系數(shù)的方法為線性約束最小方差方法LCMV或最小方差無(wú)失真響應(yīng)MVDR。

步驟4)中的解調(diào)是通過(guò)并行方式對(duì)每個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)解碼，或者通過(guò)采用串行方式對(duì)各方向合路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并依次將其串行進(jìn)行解調(diào)解碼。

下面給出本發(fā)明內(nèi)容的具體示例。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明裝置包括一個(gè)天線陣列，多通道接收裝置，陣列信號(hào)處理裝置，解碼解調(diào)裝置，抗欺騙防偽裝置。其中，陣列信號(hào)處理裝置，解碼解調(diào)裝置，抗欺騙防偽裝置，可集成于一個(gè)或多個(gè)處理芯片(例如FPGA、DSP、MCU等器件)內(nèi)部。

該天線陣列包含N(N＝3…128)個(gè)天線單元。天線單元的空間位置應(yīng)使得陣列具有俯仰角和方位角感知能力，即構(gòu)成平面或立體型天線陣列，例如，矩形陣列，圓形陣列，或由兩個(gè)非平行線陣構(gòu)成。

天線單元采用低方向性天線單元，以接收較大范圍內(nèi)的入射信號(hào)。

信號(hào)經(jīng)天線陣列收集后，輸入至接收通道模塊，接收通道包含多個(gè)接收支路，每個(gè)接收支路將信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，混頻等步驟后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣得到多路復(fù)數(shù)字信號(hào)。

其中采樣的信號(hào)可以是中頻信號(hào)，也可以是基帶信號(hào)，取決于接收機(jī)射頻通道的設(shè)計(jì)，該部分是通信領(lǐng)域?qū)I(yè)人員公知的知識(shí)。最終信號(hào)變換為復(fù)基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

陣列信號(hào)處理裝置包括權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊和加權(quán)合并模塊，復(fù)基帶數(shù)字信號(hào)輸入給權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊，該模塊首先計(jì)算得到采樣序列中信號(hào)或干擾的來(lái)波方向。來(lái)波方向的計(jì)算不涉及具體的信號(hào)形式，只檢測(cè)信號(hào)能量，該計(jì)算可采用信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)I(yè)人員公知的方法進(jìn)行，例如：多重信號(hào)分類法(MUSIC)，Capon最小均方誤差法等，其中來(lái)波方向包含俯仰角和方位角信息。最后該模塊將來(lái)波方向輸出給抗欺騙防偽裝置用于判斷是否具有欺騙信號(hào)或干擾。

其次，權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊根據(jù)估計(jì)出的來(lái)波角度，對(duì)各個(gè)角度方向產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的一組復(fù)值權(quán)系數(shù)，該加權(quán)系數(shù)使得每組加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)來(lái)波方向，并抑制其他方向的干擾或信號(hào)。根據(jù)加權(quán)系數(shù)，即使信號(hào)在時(shí)間上同時(shí)到達(dá)接收機(jī)(消息碰撞)，只要信號(hào)來(lái)自不同的方向，仍然可以通過(guò)不同的加權(quán)系數(shù)在空間上將其區(qū)分開(kāi)，由此本發(fā)明具備檢測(cè)碰撞消息的能力。

在本實(shí)施例中，采用并行方式對(duì)每個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)解碼，另外也可以采用串行方式進(jìn)行解調(diào)解碼，即對(duì)各方向合路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并依次將其串行輸入給解調(diào)解碼模塊。

加權(quán)合并模塊對(duì)每路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)合并，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的合路信號(hào)，輸入給解調(diào)解碼裝置。其中，解調(diào)解碼裝置按照ADS-B標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的信號(hào)格式進(jìn)行處理，為本技術(shù)領(lǐng)域人員公知的方法。每路信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后可能產(chǎn)生有效的ADS-B數(shù)據(jù)包，也可能因?yàn)榈托旁氡然蚍茿DS-B信號(hào)等原因無(wú)法解調(diào)出有效的ADS-B數(shù)據(jù)包?？梢园凑找欢ǖ臏?zhǔn)則，例如信號(hào)能量大于門限閾值且無(wú)法解調(diào)出ADS-B數(shù)據(jù)包，可判定該方向的來(lái)波為干擾信號(hào)，并由此給出干擾信號(hào)的告警信息，輔助進(jìn)一步排查定位干擾源。

對(duì)于可以解調(diào)出有效ADS-B的來(lái)波，解調(diào)出的數(shù)據(jù)包按照ADS-B標(biāo)準(zhǔn)所定義的格式解碼可以得到飛行器狀態(tài)信息?？蛊垓_防偽裝置從飛行器狀態(tài)信息中得到飛行器位置信息，并根據(jù)接收機(jī)的位置和解碼得出的飛行器位置信息，由方向計(jì)算模塊推算出該信號(hào)的來(lái)波方向。

隨后，抗欺騙防偽裝置將推算出的來(lái)波方向與權(quán)系數(shù)產(chǎn)生與來(lái)波方向估計(jì)模塊計(jì)算出的來(lái)波方向比較，若兩者差別大于一定范圍，則判斷該信號(hào)為欺騙信號(hào)，給出告警信息。

最后，將各支路處理后的信息合并后輸出上報(bào)給高層系統(tǒng)。

作為本實(shí)施例的補(bǔ)充，通道加權(quán)方式還可以采用模擬方式進(jìn)行，即通過(guò)移相/衰減器對(duì)每個(gè)信號(hào)接收通道的模擬信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，使得信號(hào)達(dá)到與數(shù)字域加權(quán)相同的相位、幅度加權(quán)效果。